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News: Punktschalter

Schon früher zeigten Forscher, dass winzige Inselchen eines Materials in einem anderen prinzipiell als quantenmechanisches Speicherelement dienen können. Nun fanden sie einen Weg, wie sich dieses quantenmechanische Bit noch leichter schalten und auslesen lässt.
Noch verwöhnen uns Computer mit einem steten Leistungsschub. Doch sind die Grenzen der konventionellen Silicium-Technologie bereits abgesteckt, und langfristig muss sich die Industrie nach neuen Konzepten umsehen. Eine Möglichkeit sind die Quantencomputer, deren Funktionsfähigkeit auf dem Papier bereits bestens bewiesen ist. An praktischen Modellen hapert es allerdings noch. Lediglich mit ein paar der quantenmechanischen Bits, der Qubits, ließ sich bislang rechnen – und das auch nur unter gehörigem Aufwand.

Zu den vielversprechenden Ansätzen zur Realisierung jener Rechner zählen vor allem diejenigen, die sich eben doch wieder auf konventionelle Halbleitertechnik verlassen. Denn diese ist schließlich bestens erprobt. So gehören so genannte Quantenpunkte zu den heißen Anwärtern für den Posten als Informationsspeicher in den neuartigen Rechnern. Hierbei handelt es sich im Prinzip um kleine Inselchen eines Materials, die umgeben sind von einem anderen Halbleiter oder Isolator. Die Beweglichkeit der Elektronen ist also eingeschränkt, und da die Punkte nur Abmessungen von einigen wenigen Nanometern besitzen, stehen den Elektronen aufgrund der Quantenmechanik nur ganz bestimmte Energieniveaus zur Verfügung, die sie bevölkern dürfen.

Ein einfaches Bit lässt sich so durch ein Zwei-Niveau-System darstellen. Je nachdem, welches Niveau besetzt ist, ist das Bit gesetzt oder nicht – entsprechend den Zuständen eins oder null. Das Umschalten gelingt dabei durch Anlegen elektromagnetischer Felder: Die Energiezustände werden hierdurch periodisch umbesetzt – man spricht auch von so genannten Rabi-Oszillationen.

Wenngleich sich dieses Prinzip bereits praktisch umsetzen ließ, so verblieben doch noch einige Probleme. Die Kontrolle über die quantenmechanischen Zustände und ihre Messung waren beispielsweise noch nicht zufriedenstellend.

Artur Zrenner und seine Kollegen von der Technischen Universität München gelang es nun, den Quantenspeicher zu verbessern, indem sie die Quantenpunkte mit einer Photodiode kombinierten – einem halbleitenden Bauelement, in dem bei Bestrahlung mit Licht ein Elektron-Loch-Paar erzeugt wird, das wiederum einen Stromstoß auslöst. Durch Anlegen einer äußeren Spannung ließ sich der aktuelle Zustand eines Quantenpunkts genauer als zuvor auslesen. Denn die Elektron-Loch-Paare, die im Quantenpunkt entstanden, konnten hinaus tunneln, und anhand des daraus resultierenden Photostroms ließ sich sehr genau der momentane Zustand des Zwei-Niveau-Systems bestimmen. Zum Schalten bedienten sich die Forscher kurzer Laserpulse.

Damit scheint also wieder ein kleiner Schritt in Richtung quantenmechanischer Informationstechnologie gemacht. Wie lang jedoch die noch zu beschreitende Strecke ist, vermag zur Zeit wohl noch niemand zu sagen.

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